化学镀镍溶液的组成成分及各成分作用解析

化学镀镍溶液的组成成分及各成分作用解析

目前广泛使用的化学镀镍液大致可分为酸镀液和碱性镀液两种。化学镀镍液的组分虽然根据不同的应用进行相应调整，但一般由主盐、还原剂、络合剂、缓冲剂、稳定剂、促进剂、表面活性剂等组成，各组分的作用在下面单独讨论。

（1）主盐

化学镀镍液的主要盐是提供金属镍离子的可溶性镍盐，在化学还原反应中起氧化剂的作用。可供使用的镍盐包括硫酸镍（NiS04·7H20）、氯化镍（NiCl2·6H20）、乙酸镍[Ni（）2]、氨基磺酸镍[Ni（）2]和次磷酸镍[Ni（H2P02）2]。早期以氯化镍为主盐，但由于Cl1的存在会降低涂层的耐腐蚀性并产生拉伸应力，因此不再使用。醋酸镍和次磷酸镍价格昂贵，目前使用的主要盐是硫酸镍。由于制备工艺不同，结晶水中的硫酸镍有两种：NiS04·6H20和NiS04 ·7H20. 常用的是NiS04 ·7H20，其相对分子量为280.88，绿色结晶，在l00°C下于100g水中的溶解度为478.5g，制备的溶液为深绿色，pH值为4.5。

从运动上讲，沉积速率应随着镀液中Ni2+浓度的增加而增加。然而，试验表明，由于络合剂的作用，主盐的浓度对沉积速率的影响很小（镍盐浓度特别低时除外）。一般化学镀镍液配方中镍盐的浓度维持在20~40g/L，或Ni 4~8g/L。镍盐浓度过高，使得镀液中存在一部分游离Ni2+时，镀液的稳定性下降，得到的镀层往往暗沉不平。镍盐与复物的剂量和镍盐与还原剂的比值对镍沉积速率在主要盐浓度的通常范围内有影响，并且都有合理的范围。Ni2+与H2P02-的摩尔比应在0.3~0.45之间，以保证化学镀镍液具有最大的沉积速度和良好的稳定性。

（2）还原剂

这

化学镀镍中使用的还原剂有次磷酸钠、硼氢化钠和肼等，它们在结构上的共同特点是含有两种或两种以上的活性氢，Ni2+的还原是通过还原剂的催化脱氢进行的。用次磷酸钠制得Ni-P合金涂层，用硼氢化钠制得Ni-B合金涂层，用肼制得纯镍涂层。

在化学镀镍中，次磷酸钠多用作还原剂，因为它价格低廉，电镀液易于控制，Ni-P合金涂层性能优异。次磷酸钠易溶于水，水溶液pH值为6。次磷酸盐离子的氧化还原电位为1.065V（pH=7）和0.882V（pH 4.5），在碱性介质中为1.57V，因此次磷酸盐是一种强还原剂。

研究表明，只有当络合剂比例合适时，次磷酸盐浓度的变化才会对沉积速率产生影响。随着次磷酸盐浓度的增加，镍沉积速率增加。但是，次磷酸盐的浓度也有局限性，其与镍盐浓度的摩尔比不应大于4。否则，很容易造成镀层粗糙，甚至诱发镀液瞬间分解。一般次磷酸钠含量为20~40g/L。

同时，研究表明，在保证化学镀镍液足够稳定性的条件下，尽可能高的pH值有利于提高镍沉积速率和次磷酸钠的利用率，同时降低涂层中的磷含量。

（3）络合剂

化学镀镍液中的络合剂除了控制可用于反应的游离Ni2+的浓度外，还可以抑制亚磷酸镍的析出，提高电镀液的稳定性，延长电镀液的寿命。化学镀镍的络合剂一般含有羟基、羧基、氨基等，常用的络合剂有乳酸、乙醇酸（ acid）、苹果酸、乙醇酸（）和柠檬酸。碱性化学镀镍溶液中的络合剂包括柠檬酸盐、焦磷酸盐和氨水。

通常每个浴槽都有一个初级络合剂与其他辅助络合剂。不同种类的络合剂和不同用量的络合剂对化学镀镍的沉积速率有很大影响。合理选择络合剂及其用量，不仅可以在同等条件下获得更高的涂层沉积速率，而且可以使镀液稳定，延长使用寿命。从根本上说，化学镀镍液在工作中是否稳定，并不单单取决于电镀液中是否添加了某种稳定剂，更重要的是取决于络合剂的选择、搭配和用量是否合适。因此，络合剂的选择不仅要使镀层沉积速度快，还要使镀液稳定、使用寿命长、涂覆质量好。

络合剂的浓度应至少能够络合所有镍离子。因此，乳酸、乙醇酸和乙醇酸应至少等于 Ni2+ 的两倍，而酒石酸和柠檬酸应至少等于 Ni2+。如果络合剂的浓度不足以使所有Ni2+络合，使溶液中游离Ni2+浓度过高，则电镀液的稳定性降低，电镀质量变差。

（4） 缓冲器

在化学镀镍反应过程中，除了镍磷的析出外，还有氢离子，导致溶液pH值不断降低，不仅减慢了析出速度，还影响了涂层的质量。化学镀镍溶液中常用的缓冲系统及其pH值范围见表6-1。、

表6-1 化学镀镍液缓冲体系及其pH值范围

（5） 稳定剂

化学镀镍液是一种热力学不稳定的体系，在电镀过程中，如由于加热方式不当而局部过热，或由于电镀液的调整和补充不当而导致局部pH值过高，以及由于电镀液的污染或缺乏足够的连续过滤而引入或形成杂质， 等，会引发镀液局部区域的强烈自催化反应，产生大量的Ni-P黑粉末，使镀液在短时间内分解，因此应在镀液中加入稳定剂。

稳定剂的作用是抑制镀液的自发分解，使镀过程在可控下有序进行。稳定剂可以优先吸附在颗粒表面，抑制催化反应，从而掩盖催化活性中心，防止颗粒表面的成核反应，但不影响工件表面的正常化学镀过程。但必须注意的是，稳定剂是一种化学镀镍中毒剂，即反催化剂，它只需添加微量即可抑制镀层溶液的自发分解。稳定剂不宜过量使用，镀层速度至少会降低，镀层速度最坏也不会提升，因此必须慎用。

化学镀镍中常用的稳定剂如下。

（1）重金属离子，如Pb2+、Sn2+、Cd2+、Zn2+、Bi3+等。

（2）VI.A族元素S、Se、Te的化合物，如硫脲、硫代硫酸盐、硫氰酸盐等。

（3）某些含氧化合物，如AsO2-、M0042-、N02-、IO3-等。

（4）一些不饱和有机酸，如马来酸等。

（6） 加速器

在化学镀镍溶液中增加镍沉积速率的成分称为促进剂。它的作用机制被认为是激活次磷酸根离子，促进它们释放原子氢。化学镀镍中的许多络合剂也起到促进剂的作用。无机离子中的F1是一种常用的促进剂，但其浓度必须严格控制，大量使用不仅会降低沉积速率，还会对电镀液的稳定性产生影响。

研究表明，许多在化学镀镍槽中充当稳定剂的物质在镀镍槽中以少量存在时可以充当促进剂。例如，当硫脲的用量为5mg/L时，它起到稳定剂的作用，当用量减少到1mg/L时，它具有促进剂的作用。

（7） 其他组件

在化学镀镍液中，除上述主要成分外，有时还加入表面活性剂以抑制镀层的针孔，并添加增亮剂以提高镀层的亮度。然而，十二烷基硫酸钠是化学镀镍液中常用的表面活性剂，并不适合化学镀镍溶液，因为它经常导致镀层上出现不完全污渍。